材料性能学演示文稿

1、材料性能学课件材料性能学课件绪绪 论论一、本课程的性质和内容一、本课程的性质和内容1 1性质：材料性能学是金属材料专业的一门必修专业课，以材料科学性质：材料性能学是金属材料专业的一门必修专业课，以材料科学基础、热处理、工程力学及大学物理知识为基础。基础、热处理、工程力学及大学物理知识为基础。材料的性能：（材料的性能：（1 1）工艺性能：铸造性能、压力加工性能、焊接性能等；）工艺性能：铸造性能、压力加工性能、焊接性能等； （2 2）使用性能：力学性能、物理性能、化学性能。）使用性能：力学性能、物理性能、化学性能。从其被使用的性能特征而言分为结构材料和功能材料。从其被使用的性能特征而言分为结构材料

2、和功能材料。结构材料：以力学性能（一般是指强度、塑性）为主要技术指标应用的结构材料：以力学性能（一般是指强度、塑性）为主要技术指标应用的材料。材料。例：钢材：屈服强度例：钢材：屈服强度S S、强度极限、强度极限b b、延伸率、延伸率绪绪 论论 功能材料：以物理、化学性能为主要技术指标应用的材料。功能材料：以物理、化学性能为主要技术指标应用的材料。例：例：电热材料（电阻率电热材料（电阻率）、磁性材料（磁导率）、磁性材料（磁导率、矫顽力、矫顽力HC）等。）等。金属材料粉末冶金方向：粉末冶金材料：粉末冶金结构材料；硬质合金；磁性材料等。金属材料粉末冶金方向：粉末冶金材料：粉末冶金结构材料；硬质合金；

3、磁性材料等。硬质合金：烧结工艺（热容）、钴的含量（饱和磁化强度）、硬质合金：烧结工艺（热容）、钴的含量（饱和磁化强度）、WC颗粒、硬度、矫顽力颗粒、硬度、矫顽力HC2内容：第内容：第111章章 力学性能：材料在静载条件下的弹性变形、塑性变形和断裂过程，材料的硬度、力学性能：材料在静载条件下的弹性变形、塑性变形和断裂过程，材料的硬度、断裂韧性、疲劳性能、磨损性能、材料的高温力学性能及材料的强韧化方法等；断裂韧性、疲劳性能、磨损性能、材料的高温力学性能及材料的强韧化方法等； 第第1214章章 物理性能：热学性能、磁学性能、电学性能物理性能：热学性能、磁学性能、电学性能绪绪 论论二、学完本课程后应达

4、到的要求（学习本课程的目的）二、学完本课程后应达到的要求（学习本课程的目的）1掌握主要力学性能和物理性能的基本概念、物理本质、掌握主要力学性能和物理性能的基本概念、物理本质、变化规律及性能指标的工程意义；变化规律及性能指标的工程意义；2理解各种因素对金属材料力学性能和物理性能的影响。理解各种因素对金属材料力学性能和物理性能的影响。即掌握环境因素和金属材料成分、内部组织结构因素即掌握环境因素和金属材料成分、内部组织结构因素对性能的影响；基本掌握提高材料性能指标、充分发对性能的影响；基本掌握提高材料性能指标、充分发挥材料性能潜力的主要途径；挥材料性能潜力的主要途径；3 .了解材料性能的测试原理、方

5、法及仪器设备了解材料性能的测试原理、方法及仪器设备4具有初步的材料失效分析、合理选材、用材及新材料具有初步的材料失效分析、合理选材、用材及新材料的技能。的技能。绪论三、本课程的特点及主要参考书三、本课程的特点及主要参考书物理知识要求有一定的深度。理论性较强；同时应该是一门实验物理知识要求有一定的深度。理论性较强；同时应该是一门实验检测课。章与章之间较独立，但内容安排上有一定的规律性。检测课。章与章之间较独立，但内容安排上有一定的规律性。第一篇 材料的力学性能第一篇 材料的力学性能1：退火低碳钢：退火低碳钢 1：有机玻璃：硬而脆：有机玻璃：硬而脆 2：正火中碳钢：正火中碳钢 2：纤维增强热固塑料

6、：纤维增强热固塑料：3：高碳钢：高碳钢 硬而强硬而强但弹性模量但弹性模量 3：尼龙：硬而韧：尼龙：硬而韧基本相同基本相同 4：聚四氟乙烯：软而韧：聚四氟乙烯：软而韧 第第1章章 金属材料的弹性变形金属材料的弹性变形 一、弹性变形力学性能指标一、弹性变形力学性能指标1、弹性模量、弹性模量E：表示材料抵抗弹性变形的能力，即材料在弹性变形：表示材料抵抗弹性变形的能力，即材料在弹性变形范围内，产生单位弹性应变所需应力。范围内，产生单位弹性应变所需应力。2、弹性极限、弹性极限e：表示材料只发生弹性变形所能承受的最大应力。：表示材料只发生弹性变形所能承受的最大应力。3、比例、比例极限极限p：表示材料在弹性

7、变形阶段，应力与应变成正比的最：表示材料在弹性变形阶段，应力与应变成正比的最大应力。大应力。4、弹性比功、弹性比功e：表示金属材料吸收变形功而又不发生永久变形的能：表示金属材料吸收变形功而又不发生永久变形的能力，在数值上力，在数值上e=ee 2=e2 2E、刚度、刚度EA0：表示材料在外载荷作用下：表示材料在外载荷作用下抵抗弹性变形的能力。抵抗弹性变形的能力。二、影响弹性模量的因素二、影响弹性模量的因素1、键合方式和原子结构、键合方式和原子结构化学键大于物理键：共价键、金属键、离子键大于分子键化学键大于物理键：共价键、金属键、离子键大于分子键结合力强的弹性模量大。结合力强的弹性模量大。第第1章

8、章 金属材料的弹性变形金属材料的弹性变形2、晶体结构、晶体结构单晶体呈现各向异性（钨除外），多晶体呈现各向同性单晶体呈现各向异性（钨除外），多晶体呈现各向同性伪等向性伪等向性铁的单晶体：铁的单晶体：晶向晶向E=270000MPa 晶向晶向E=125000MPa铁的多晶体：铁的多晶体：E=135000MPa钨皆为：钨皆为： E=384600MPa3、化学成分、化学成分合金的弹性模量取决于组元的性质、结构及组元之间的结合方式、组织合金的弹性模量取决于组元的性质、结构及组元之间的结合方式、组织4、微观组织、微观组织合金成分不变时，组织对合金成分不变时，组织对弹性模量影响很小，晶粒大小对弹性模量无影响

9、。弹性模量影响很小，晶粒大小对弹性模量无影响。5、温度、温度温度升高，原子间距增大，体积膨胀，原子间结合力下降，弹性模量下降。温度升高，原子间距增大，体积膨胀，原子间结合力下降，弹性模量下降。第第2章章 金属材料的塑性变形金属材料的塑性变形一、塑性变形机理一、塑性变形机理1、单晶体塑性变形的主要方式：滑移和孪生、单晶体塑性变形的主要方式：滑移和孪生塑性变形塑性变形滑移滑移位错的运动位错的运动阻碍位错运动的因素阻碍位错运动的因素晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷：点缺陷：空位、间隙原子、置换原子晶体缺陷：点缺陷：空位、间隙原子、置换原子 线缺陷：位错线缺陷：位错 面缺陷：面缺陷：2、多晶体塑性变形的特征：

10、、多晶体塑性变形的特征：1）塑性变形的非同时性和非均匀性：材料的表面优先和处于软位向的滑移）塑性变形的非同时性和非均匀性：材料的表面优先和处于软位向的滑移系优先；系优先；2）晶界的影响和晶粒位向差的影响）晶界的影响和晶粒位向差的影响晶界对位错运动有阻碍作用晶界对位错运动有阻碍作用晶粒之间相互阻碍和协调晶粒之间相互阻碍和协调霍耳霍耳佩奇公式：佩奇公式：s=i+kd-1/2第第2章章 金属材料的塑性变形金属材料的塑性变形二、屈服强度和强度极限二、屈服强度和强度极限1、屈服强度、屈服强度s及条件屈服强度及条件屈服强度0.2屈服强度屈服强度s：表示材料不发生明显的塑性变形所能承受的最大工程应力。：表示

11、材料不发生明显的塑性变形所能承受的最大工程应力。条件屈服强度条件屈服强度0.2：表示材料在标距长度内发生：表示材料在标距长度内发生0.2%的残余工程应变时工程的残余工程应变时工程应力。应力。2、强度极限（抗拉强度）、强度极限（抗拉强度）b强度极限强度极限b：表示材料在拉断前所能承受的最大工程应力。：表示材料在拉断前所能承受的最大工程应力。三、塑性：材料在断裂前产生塑性变形的能力。三、塑性：材料在断裂前产生塑性变形的能力。1、塑性的意义、塑性的意义1）可使得材料通过塑性变形产生的应变硬化提高抗过载能力，）可使得材料通过塑性变形产生的应变硬化提高抗过载能力，2）保证材料塑性变形的顺利进行）保证材料

12、塑性变形的顺利进行3）塑性可判定金属材料冶金质量的好坏。）塑性可判定金属材料冶金质量的好坏。2、塑性指标、塑性指标伸长率伸长率断面收缩率断面收缩率第第2章章 金属材料的塑性变形金属材料的塑性变形四、影响屈服强度的因素四、影响屈服强度的因素1、晶体结构、晶体结构屈服即位错开始运动，因此单晶体理论屈服强度屈服即位错开始运动，因此单晶体理论屈服强度=临界切应力临界切应力切应力取决于阻力（点阵阻力、位错交互运动的阻力）切应力取决于阻力（点阵阻力、位错交互运动的阻力）1)点阵阻力：派点阵阻力：派纳力纳力一个位错晶体中运动所需克服的阻力。一个位错晶体中运动所需克服的阻力。2）位错交互运动的阻力）位错交互运

13、动的阻力3）位错运动与其它缺陷的作用）位错运动与其它缺陷的作用2、晶界和亚晶界的影响、晶界和亚晶界的影响HALL-PETCH公式公式在纳米晶范围内仍出现细晶强化在纳米晶范围内仍出现细晶强化3、合金元素的影响、合金元素的影响第第2章章 金属材料的塑性变形金属材料的塑性变形固溶强化固溶强化柯氏气团强化柯氏气团强化沉淀强化沉淀强化时效强化时效强化弥散强化弥散强化4、环境因素、环境因素1）温度：温度升高，屈服强度下降。）温度：温度升高，屈服强度下降。2）加载速度：加载速度（变形速度）越快，屈服强度增高。）加载速度：加载速度（变形速度）越快，屈服强度增高。3）应力状态的影响：）应力状态的影响：不同的加载

14、方式，屈服强度不同。不同的加载方式，屈服强度不同。第第2章章 金属材料的塑性变形金属材料的塑性变形固溶强化固溶强化柯氏气团强化柯氏气团强化沉淀强化沉淀强化时效强化时效强化弥散强化弥散强化4、环境因素、环境因素1）温度：温度升高，屈服强度下降。）温度：温度升高，屈服强度下降。2）加载速度：加载速度（变形速度）越快，屈服强度增高。）加载速度：加载速度（变形速度）越快，屈服强度增高。3）应力状态的影响：）应力状态的影响：不同的加载方式，屈服强度不同。不同的加载方式，屈服强度不同。第第2章章 金属材料的塑性变形金属材料的塑性变形五、影响金属材料塑性的因素五、影响金属材料塑性的因素1、晶体结构、晶体结构

15、2、晶粒大小、晶粒大小3、第二相的形态、大小、数量及分布、第二相的形态、大小、数量及分布4、温度、温度5、加载速度、加载速度6、应力状态、应力状态六、应变硬化及应变硬化指数六、应变硬化及应变硬化指数七、超塑性及具有超塑性的条件七、超塑性及具有超塑性的条件第第3章章 金属材料的断裂与断裂韧性金属材料的断裂与断裂韧性断裂断裂断裂过程包括裂纹的萌生、扩展与断裂三个阶段。断裂过程包括裂纹的萌生、扩展与断裂三个阶段。断口及断口分析法断口及断口分析法一、断裂的类型及断裂机理一、断裂的类型及断裂机理一）断裂的类型一）断裂的类型1.根据断裂前塑性变化大小分为：韧性断裂和脆性断裂根据断裂前塑性变化大小分为：韧性

16、断裂和脆性断裂韧性断裂：韧性断裂：指金属断裂前产生明显的宏观塑性变形的断裂，这种断裂指金属断裂前产生明显的宏观塑性变形的断裂，这种断裂有一个缓慢的撕裂过程，在裂纹扩展过程中不断消耗能量。有一个缓慢的撕裂过程，在裂纹扩展过程中不断消耗能量。中、低强度钢的光滑圆柱试样在室温下的静拉伸断裂是典型的韧性断中、低强度钢的光滑圆柱试样在室温下的静拉伸断裂是典型的韧性断裂。裂。 韧性断裂的宏观断口同时具有上述三个区域，而脆性断口纤韧性断裂的宏观断口同时具有上述三个区域，而脆性断口纤维区很小，剪切唇几乎没有。维区很小，剪切唇几乎没有。 脆性断裂是突然发生的断裂，断裂前基本上不发生塑性变形，脆性断裂是突然发生的

17、断裂，断裂前基本上不发生塑性变形，没有明显征兆，因此危害性很大。没有明显征兆，因此危害性很大。 脆性断裂的断裂面一般与正应力垂直，断口平齐而光亮，常脆性断裂的断裂面一般与正应力垂直，断口平齐而光亮，常呈放射状或结晶状。板状矩形拉伸试样断口呈人字纹花样。呈放射状或结晶状。板状矩形拉伸试样断口呈人字纹花样。第第3章章 金属材料的断裂与断裂韧性金属材料的断裂与断裂韧性 2.按裂纹扩展的途径分为：穿晶断裂与沿晶断裂按裂纹扩展的途径分为：穿晶断裂与沿晶断裂 多晶金属断裂时，裂纹扩展的路径可能不同，穿晶多晶金属断裂时，裂纹扩展的路径可能不同，穿晶断裂的裂纹穿过晶粒内，而沿晶断裂的裂纹沿晶界断裂的裂纹穿过晶

18、粒内，而沿晶断裂的裂纹沿晶界扩展。扩展。第第3章章 金属材料的断裂与断裂韧性金属材料的断裂与断裂韧性 3.根据断裂机理分类：纯剪切断裂与微孔聚集型断根据断裂机理分类：纯剪切断裂与微孔聚集型断裂、解理断裂与准解理断裂裂、解理断裂与准解理断裂 (1) 剪切断裂：剪切断裂： 金属材料在切应力的作用下，沿滑移面分离而造成金属材料在切应力的作用下，沿滑移面分离而造成的滑移面分离断裂；的滑移面分离断裂； 包括滑断纯剪切断裂和微孔聚集型断裂。包括滑断纯剪切断裂和微孔聚集型断裂。 微孔聚集型断裂是通过微孔成核、长大聚合而导致微孔聚集型断裂是通过微孔成核、长大聚合而导致材料分离。材料分离。 断口宏观特征：断口宏

19、观特征：呈暗灰色、纤维状呈暗灰色、纤维状 断口微观特征：断口微观特征：断口上分布有大量韧窝。断口上分布有大量韧窝。第第3章章 金属材料的断裂与断裂韧性金属材料的断裂与断裂韧性 (2) 解理断裂：解理断裂： 是指金属材料在一定条件下（如低温），当外是指金属材料在一定条件下（如低温），当外加正压力达到一定数值后，由于原子间结合键加正压力达到一定数值后，由于原子间结合键的破坏引起的以极快速率沿一定晶体学晶面产的破坏引起的以极快速率沿一定晶体学晶面产生的穿晶断裂；生的穿晶断裂； 由于与大理石的断裂相似，所以称这种晶体学由于与大理石的断裂相似，所以称这种晶体学平面为解理面。平面为解理面。 断口宏观特征：

20、断口宏观特征：呈极平坦的镜面呈极平坦的镜面 断口宏观特征：断口宏观特征：解理台阶、河流花样、舌状花样。解理台阶、河流花样、舌状花样。 微孔聚集型断裂是通过微孔成核、长大聚合而微孔聚集型断裂是通过微孔成核、长大聚合而导致材料分离。导致材料分离。 (2) 解理断裂：解理断裂： 是指金属材料在一定条件下（如低温），当外加正是指金属材料在一定条件下（如低温），当外加正压力达到一定数值后，以极快速率沿一定晶体学平压力达到一定数值后，以极快速率沿一定晶体学平面产生的穿晶断裂；面产生的穿晶断裂； 由于与大理石的断裂相似，所以称这种晶体学平面由于与大理石的断裂相似，所以称这种晶体学平面为解理面。为解理面。第第

21、3章章 金属材料的扭转、弯曲、压缩性能金属材料的扭转、弯曲、压缩性能 (2) 解理断裂：解理断裂： 是指金属材料在一定条件下（如低温），当外是指金属材料在一定条件下（如低温），当外加正压力达到一定数值后，由于原子间结合键加正压力达到一定数值后，由于原子间结合键的破坏引起的以极快速率沿一定晶体学晶面产的破坏引起的以极快速率沿一定晶体学晶面产生的穿晶断裂；生的穿晶断裂； 由于与大理石的断裂相似，所以称这种晶体学由于与大理石的断裂相似，所以称这种晶体学平面为解理面。平面为解理面。 断口宏观特征：断口宏观特征：呈极平坦的镜面呈极平坦的镜面 断口微观观特征：断口微观观特征：解理台阶、河流花样、舌状花样。

22、解理台阶、河流花样、舌状花样。 在淬火回火钢中，当裂纹在晶粒内部扩展时，在淬火回火钢中，当裂纹在晶粒内部扩展时，难于严格的沿一定晶体学平面扩展，难于严格的沿一定晶体学平面扩展， 断裂路径不再与晶粒位向有关，而主要与细断裂路径不再与晶粒位向有关，而主要与细小的碳化物质点有关，其微观形态，与解理小的碳化物质点有关，其微观形态，与解理河流相似，但又不是真正的解理，所以称为河流相似，但又不是真正的解理，所以称为准解理。准解理。第第4章章 金属材料的扭转、弯曲、压缩性能金属材料的扭转、弯曲、压缩性能 4.1 应力状态软性系数应力状态软性系数值越大，表示应力状态越值越大，表示应力状态越“软软”，金属越易于

23、产生塑性变形和韧性，金属越易于产生塑性变形和韧性断裂。断裂。 值越小，表示应力状态越值越小，表示应力状态越“硬硬”，金属越不易于产生塑性，金属越不易于产生塑性变形而易于产生脆性断裂。变形而易于产生脆性断裂。单向拉伸的单向拉伸的为为0.5单向压缩的单向压缩的为为0.2扭转的扭转的为为0.5)( 232131maxmax最大正应力最大切应力第第4章章 金属材料的扭转、弯曲、压缩性能金属材料的扭转、弯曲、压缩性能 4.2 扭转扭转 一、扭转试验一、扭转试验当圆柱试样承受扭矩当圆柱试样承受扭矩T进行扭转时，试样表面的应力状态如图进行扭转时，试样表面的应力状态如图所示，在与试样轴线呈所示，在与试样轴线呈

24、45的两个斜截面上作用最大与最小的两个斜截面上作用最大与最小正应力正应力1及及3，在与试样轴线平行和垂直的，在与试样轴线平行和垂直的截面上作用最大截面上作用最大切应力，两种应力的比值接近切应力，两种应力的比值接近1。在弹性变形阶段，试样横截面上的切应力和切应变沿半径方在弹性变形阶段，试样横截面上的切应力和切应变沿半径方向的分布是线性的（图向的分布是线性的（图2-6b）。）。当表层产生塑性变形后，切应变的分布仍保持线性关系，但当表层产生塑性变形后，切应变的分布仍保持线性关系，但切应力则因塑性变形而有所降低，呈非线性分布切应力则因塑性变形而有所降低，呈非线性分布 。第第4章章 金属材料的扭转、弯曲

25、、压缩性能金属材料的扭转、弯曲、压缩性能第第4章章 金属材料的扭转、弯曲、压缩性能金属材料的扭转、弯曲、压缩性能第第4章章 金属材料的扭转、弯曲、压缩性能金属材料的扭转、弯曲、压缩性能 二、扭转试验测定的主要力学性能指标二、扭转试验测定的主要力学性能指标1. 切变模量切变模量G在弹性范围内，切应力与切应变之比，表示材料抵抗切应变在弹性范围内，切应力与切应变之比，表示材料抵抗切应变的能力。的能力。G第第4章章 金属材料的扭转、弯曲、压缩性能金属材料的扭转、弯曲、压缩性能2. 扭转比例极限扭转比例极限3.扭转屈服强度扭转屈服强度4.抗扭强度抗扭强度psPpTWSSTWbbbTW4.2 扭转扭转 二

26、、扭转试验的特点及应用二、扭转试验的特点及应用特点：特点：(1) 应力状态软性系数应力状态软性系数=0.8，比拉伸时的，比拉伸时的大，易于显示大，易于显示拉伸拉伸时表现为脆性或低塑性时表现为脆性或低塑性金属金属材料材料的塑性行为。的塑性行为。(2) 圆柱形试样扭转时，整个长度上塑性变形是均匀的，没有圆柱形试样扭转时，整个长度上塑性变形是均匀的，没有缩颈现象。缩颈现象。(3) 能较敏感的反映出金属表面缺陷及表面硬化层的性能。能较敏感的反映出金属表面缺陷及表面硬化层的性能。(4) 扭转试验时的最大正应力与最大切应力在数值上大体相等，扭转试验时的最大正应力与最大切应力在数值上大体相等，而生产上所用大

27、部分金属材料的正断抗力大于切断抗力，所而生产上所用大部分金属材料的正断抗力大于切断抗力，所以扭转试验是测定这些材料切断抗力最可靠的方法。以扭转试验是测定这些材料切断抗力最可靠的方法。应用：应用：将圆柱形或矩形试样放置于一定跨距将圆柱形或矩形试样放置于一定跨距Ls的支座上，进行三点弯曲或四点的支座上，进行三点弯曲或四点弯曲加载，通过记录弯曲力弯曲加载，通过记录弯曲力f和试样挠度和试样挠度f之间的关系曲线，就可确定金之间的关系曲线，就可确定金属在弯曲力下的力学性能。属在弯曲力下的力学性能。弯曲试验主要测定脆性或低塑性材料的抗弯强度弯曲试验主要测定脆性或低塑性材料的抗弯强度试样弯曲至断裂前达到的最大

28、弯曲力，按弹性弯曲应力公式计算试样弯曲至断裂前达到的最大弯曲力，按弹性弯曲应力公式计算的最大的最大弯曲应力，称为抗弯强度。弯曲应力，称为抗弯强度。三、弯曲实验的特点及应用三、弯曲实验的特点及应用(1) 弯曲试验的试样形状简单、操作方便，不存在拉伸试验时的弯曲试验的试样形状简单、操作方便，不存在拉伸试验时的试样偏斜对结果的影响，可用弯曲的挠度显示材料的塑性。试样偏斜对结果的影响，可用弯曲的挠度显示材料的塑性。(2) 弯曲试验时，样品表面应力最大，可灵敏的反映材料表面的弯曲试验时，样品表面应力最大，可灵敏的反映材料表面的缺陷。缺陷。(3)测量灰铸铁、硬质合金、工具钢的抗弯强度，评价其性能和质测量灰

29、铸铁、硬质合金、工具钢的抗弯强度，评价其性能和质量。量。bbbbbMW可测定的主要压缩性能指标：可测定的主要压缩性能指标：1.抗压强度抗压强度单位试样被压至破坏过程中的最大应力单位试样被压至破坏过程中的最大应力bc2.相对压缩率相对压缩率3.相对断面扩展率相对断面扩展率三、三、压缩试验的特点压缩试验的特点(1) 单向压缩试验的应力状态软性系数单向压缩试验的应力状态软性系数=2，比拉伸、扭转、弯曲，比拉伸、扭转、弯曲的应力状态都软，所以主要用于拉伸时呈脆性的金属材料力学性的应力状态都软，所以主要用于拉伸时呈脆性的金属材料力学性能的测定。能的测定。(2) 拉伸时塑性很好的材料，在压缩时只发生压缩变

30、形而不断裂。拉伸时塑性很好的材料，在压缩时只发生压缩变形而不断裂。(3) 对于接触面处承受多向压缩应力的机件，如滚动轴承、套圈对于接触面处承受多向压缩应力的机件，如滚动轴承、套圈与滚动体，常采用多向压缩实验。与滚动体，常采用多向压缩实验。第第5章章 金属材料的硬度金属材料的硬度 5.1 金属硬度的意义及硬度试验的特点金属硬度的意义及硬度试验的特点 硬度是表征材料软硬程度的一种性能硬度是表征材料软硬程度的一种性能 物理意义随着试验方法不同而不同物理意义随着试验方法不同而不同 压入法是应用最广泛的硬度测试方法压入法是应用最广泛的硬度测试方法 压入法的应力状态软性系数压入法的应力状态软性系数=2，在

31、这种应力状态，在这种应力状态下，几乎所有的金属材料都能产生塑性变形，所以下，几乎所有的金属材料都能产生塑性变形，所以这种方法也能测定这种方法也能测定硬质合金、陶瓷硬质合金、陶瓷等脆性材料的硬等脆性材料的硬度。度。5.2 布氏硬度布氏硬度 （一）试验原理：（一）试验原理：用直径为用直径为D（mm）的钢球）的钢球或硬质合金球的压头，或硬质合金球的压头，加一定的试验力加一定的试验力F（N），），将其压入试样表面（右图将其压入试样表面（右图a），），经过规定的保持时间经过规定的保持时间t（s）后卸除试验力，试样表面后卸除试验力，试样表面将残留压痕，将残留压痕，然后测量压痕的平均直径然后测量压痕的平均直

32、径d（mm），求得压痕的球），求得压痕的球形面积形面积A（mm2）。）。5.2 布氏硬度布氏硬度 布氏硬度计试验法主要用布氏硬度计试验法主要用于铸铁、钢材、有色金属于铸铁、钢材、有色金属及软合金等材料的硬度测及软合金等材料的硬度测定，定，此外还可以用于塑料、电此外还可以用于塑料、电木等某些非金属材料硬度木等某些非金属材料硬度的测定。的测定。适用于工厂、车间、试验适用于工厂、车间、试验室、大专院校和科研机构。室、大专院校和科研机构。1. 由于压头的直径较大，所以压痕面积较大，其硬度值能反映各由于压头的直径较大，所以压痕面积较大，其硬度值能反映各组成相的平均性能，适合于测定灰铸铁、轴承合金的硬度；

33、组成相的平均性能，适合于测定灰铸铁、轴承合金的硬度；2. 试验数据稳定，重复性强。试验数据稳定，重复性强。1. 对不同材料需要更换压头直径和改变试验力，压痕直径的测量对不同材料需要更换压头直径和改变试验力，压痕直径的测量较麻烦，所以不宜用于自动检测；较麻烦，所以不宜用于自动检测；2. 压痕较大时不宜在成品上实验。压痕较大时不宜在成品上实验。5.3 洛氏硬度洛氏硬度 （一）试验原理：（一）试验原理：(a) 试验时先加初始试验力试验时先加初始试验力F0，以保证压头与试样表，以保证压头与试样表面接触良好，得到一个压面接触良好，得到一个压痕深度痕深度h0，此时指针指零。，此时指针指零。(b) 施加主作

34、用力施加主作用力F1，压头，压头压入深度为压入深度为h1，表逆时针，表逆时针转到相应刻度位置，转到相应刻度位置，h1包包括弹性变形与塑性变形。括弹性变形与塑性变形。(c) F1卸除后，总变形中的卸除后，总变形中的弹性变形恢复，压头回升弹性变形恢复，压头回升一段距离（一段距离（h2-h1），此时），此时塑性变形深度即为压痕深塑性变形深度即为压痕深度度h，最终表盘指针所指即，最终表盘指针所指即为洛氏硬度值。为洛氏硬度值。HRS-150型数显洛氏硬度计型数显洛氏硬度计是机电一体化的硬度测试仪是机电一体化的硬度测试仪器。器。该机外观新颖，采用微机控该机外观新颖，采用微机控制，硬度值以数字直接显示。制，

35、硬度值以数字直接显示。升降螺杆与旋轮间自动反馈升降螺杆与旋轮间自动反馈锁合，外接打印机，除试台锁合，外接打印机，除试台升降外，完全实现了自动化，升降外，完全实现了自动化，消除了操作和读数误差。消除了操作和读数误差。该硬度计适用于黑色金属、该硬度计适用于黑色金属、有色金属和非金属材料的硬有色金属和非金属材料的硬度测定。度测定。 1. 操作简便、迅速、硬度值可直接读出；操作简便、迅速、硬度值可直接读出；2. 压痕小，可在工件上直接实验；压痕小，可在工件上直接实验；3. 采用不同标尺可测定各种软硬不同的金属或厚薄不一的试样硬采用不同标尺可测定各种软硬不同的金属或厚薄不一的试样硬度，可广泛用于热处理质

36、量检验。度，可广泛用于热处理质量检验。1. 压痕较小，代表性差；压痕较小，代表性差；2. 若材料中存在偏析及组织不均匀等缺陷，则所测硬度值重复性若材料中存在偏析及组织不均匀等缺陷，则所测硬度值重复性差，分散度大；差，分散度大；3. 用不同标尺测得的硬度值彼此没有联系，不能直接比较。用不同标尺测得的硬度值彼此没有联系，不能直接比较。 维氏硬度试验的原理与布氏硬度相同，也是根据维氏硬度试验的原理与布氏硬度相同，也是根据压痕单位面积所承受的试验力计算硬度值。压痕单位面积所承受的试验力计算硬度值。 不同的是试验用的压头不同，是两个相对面间夹不同的是试验用的压头不同，是两个相对面间夹角角为为136的金刚

37、石四棱锥体。的金刚石四棱锥体。 压头在试验力压头在试验力F（N）作用下将样品表面压作用下将样品表面压出一个四方锥形的压出一个四方锥形的压痕，痕， 经一定保持时间后卸经一定保持时间后卸除试验力，测量压痕除试验力，测量压痕对角线平均长度对角线平均长度d，d=(d1+d2)/2， 来计算压痕的表面积来计算压痕的表面积A（mm2）。）。HVS-50型数显维氏硬度计是光机电一型数显维氏硬度计是光机电一体化的高新技术产品，具有良好的可靠体化的高新技术产品，具有良好的可靠性，可操作性，是小负荷维氏硬度计的性，可操作性，是小负荷维氏硬度计的升级换代产品。升级换代产品。该机采用计算机软件编程，高倍率光学该机采用

38、计算机软件编程，高倍率光学测量系统，光电传感等技术，通过软键测量系统，光电传感等技术，通过软键输入，能调节测量光源的强弱，选择测输入，能调节测量光源的强弱，选择测试方法与对照表、保持时间、文件号与试方法与对照表、保持时间、文件号与储存等，在储存等，在LCD大屏幕显示上能显示试大屏幕显示上能显示试验方法、试验力、测量压痕长度、硬度验方法、试验力、测量压痕长度、硬度值、试验力保持时间，测量次数并能键值、试验力保持时间，测量次数并能键入年、月、日期，试验结果和数据处理入年、月、日期，试验结果和数据处理等，通过打印输出，并通过等，通过打印输出，并通过RS232接口接口与计算机连网与计算机连网硬度计配可

39、选摄影装置，能对所测压痕硬度计配可选摄影装置，能对所测压痕和材料金相组织进行拍摄，适用于测量和材料金相组织进行拍摄，适用于测量微小、薄形试件、表面渗镀处理后的零微小、薄形试件、表面渗镀处理后的零件，是科研机构、工厂及质检部门进行件，是科研机构、工厂及质检部门进行研究和检测的理想的硬度测试仪器。研究和检测的理想的硬度测试仪器。 1. 不存在布氏硬度试验时要求试验力不存在布氏硬度试验时要求试验力F与压头直径与压头直径D之间所规之间所规定条件的约束，也不存在洛氏硬度实验时不同标尺的硬度值定条件的约束，也不存在洛氏硬度实验时不同标尺的硬度值无法统一的弊端；无法统一的弊端；2. 试验力可以任意选择，压痕

40、测量精度较高，硬度值较精确。试验力可以任意选择，压痕测量精度较高，硬度值较精确。需要通过测量压痕对角线长度后才能进行计算或查表，工作需要通过测量压痕对角线长度后才能进行计算或查表，工作效率较低。效率较低。1. 努氏硬度试验努氏硬度试验与显微硬度相比有两点不同：与显微硬度相比有两点不同：(1) 压头形状不同（图压头形状不同（图2-22），两个），两个对面角不等的四棱锥金刚石压头，对面角不等的四棱锥金刚石压头，对面角分别为为对面角分别为为17230和和130，所以试样上得到的是长、短对角线所以试样上得到的是长、短对角线长度比（长度比（l/w）为）为7.11的棱形压痕。的棱形压痕。(2) 硬度值不是

41、试验力除以压痕表面硬度值不是试验力除以压痕表面积，而是除以压痕投影面积。积，而是除以压痕投影面积。努氏硬度试验由于压痕细长，只需努氏硬度试验由于压痕细长，只需测量对角线的长度，所以精确度较测量对角线的长度，所以精确度较高，对于表面淬硬层或渗层、镀层高，对于表面淬硬层或渗层、镀层等薄层区域的硬度测定以及渗层截等薄层区域的硬度测定以及渗层截面上硬度分布的测定较为方便。面上硬度分布的测定较为方便。 肖氏硬度的原理：肖氏硬度的原理：将一定质量的带有金刚石圆头或钢球的重锤，从一定高度落将一定质量的带有金刚石圆头或钢球的重锤，从一定高度落于金属试样表面，根据重锤回跳的高度来表征硬度值的大小，于金属试样表面

42、，根据重锤回跳的高度来表征硬度值的大小，也称为回跳硬度。也称为回跳硬度。 里氏硬度：里氏硬度：用规定质量的冲击体在弹力作用下以一定速度冲击试样表面，用规定质量的冲击体在弹力作用下以一定速度冲击试样表面，用冲头（碳化钨球）的回弹速度表征金属的硬度值。用冲头（碳化钨球）的回弹速度表征金属的硬度值。第第6章章 材料的冲击韧性与低温脆性材料的冲击韧性与低温脆性冲击：载荷以很高的速度作用于机件或物体上的现象。冲击：载荷以很高的速度作用于机件或物体上的现象。6.1 6.1 冲击韧性冲击韧性一、冲击载荷的能量性质一、冲击载荷的能量性质在在tt时间内，是一个变力，故时间内，是一个变力，故冲击载荷只能用能量冲击

43、功表达冲击载荷只能用能量冲击功表达二、缺口冲击试验二、缺口冲击试验国家标准规定冲击弯曲试验用标准试样分别为国家标准规定冲击弯曲试验用标准试样分别为夏比夏比(charpy)U(charpy)U型缺口试型缺口试样和夏比样和夏比V V型缺口试样型缺口试样，两种试样的形状及尺寸如图所示。所测得的冲，两种试样的形状及尺寸如图所示。所测得的冲击吸收功分别记为击吸收功分别记为A AKUKU和和A AKV KV 。 另外，测量陶瓷、铸铁或工具钢等另外，测量陶瓷、铸铁或工具钢等脆性材料脆性材料的冲击吸收功时，常采的冲击吸收功时，常采用用10mm10mml0mml0mm10mm10mm的无缺口冲击试样。的无缺口冲

44、击试样。21()F tm第第6章章 材料的冲击韧性与低温脆性材料的冲击韧性与低温脆性第第6章章 材料的冲击韧性与低温脆性材料的冲击韧性与低温脆性缺口试样一次冲击弯曲试验原理如缺口试样一次冲击弯曲试验原理如图上一面图所示。试验在摆锤式冲图上一面图所示。试验在摆锤式冲击试验机上进行，将试样水平放置击试验机上进行，将试样水平放置于试验机支座上，缺口位于冲击相于试验机支座上，缺口位于冲击相背方向。冲击时将具有一定质量背方向。冲击时将具有一定质量G G的的摆锤举至具有一定高度摆锤举至具有一定高度H H1 1的位置，的位置，使其获得一定位能使其获得一定位能GHGH1 1。释放摆锤冲。释放摆锤冲断试样后摆锤

45、的剩余能量为断试样后摆锤的剩余能量为GHGH2 2，则，则摆锤冲断试样失去的位能为摆锤冲断试样失去的位能为GHGH1 1-GH-GH2 2，此即为试样变形和断裂所吸收的，此即为试样变形和断裂所吸收的功，称为功，称为冲击吸收功冲击吸收功，以，以A AK K表示，表示，单位为单位为J J。第第6章章 材料的冲击韧性与低温脆性材料的冲击韧性与低温脆性三、冲击韧性三、冲击韧性用试样缺口处截面用试样缺口处截面F FN N(cm(cm2 2) )去除去除A AKVKV(A(AKUKU) )，便得到，便得到冲击韧度或冲击冲击韧度或冲击值值KVKV( (KUKU) )，即，即KVKV( (KUKU) )是一个

46、综合性的力学性能指标，是一个综合性的力学性能指标，与材料的强度和塑性与材料的强度和塑性有关有关，单位为单位为J/mJ/m2 2。第第6章章 材料的冲击韧性与低温脆性材料的冲击韧性与低温脆性6.2 6.2 低温脆性低温脆性低温脆性：低温脆性：当材料的应用温度低于某一温度时，当材料的应用温度低于某一温度时，材料出现由韧性材料出现由韧性 状态变为脆性状态，冲击韧性功明显下降的现象。状态变为脆性状态，冲击韧性功明显下降的现象。低温脆性转变：低温脆性转变：这种随温度的降低，材料由韧性状态变为脆性状这种随温度的降低，材料由韧性状态变为脆性状态的现象。态的现象。 断裂机理由微孔聚集变为穿晶解理，断口特征由纤

47、维状变为结断裂机理由微孔聚集变为穿晶解理，断口特征由纤维状变为结晶状晶状，这就是，这就是低温脆性低温脆性。转变温度。转变温度t tk k称为称为韧脆转变温度或冷脆韧脆转变温度或冷脆转变温度转变温度。一、材料的冷脆倾向一、材料的冷脆倾向（1 1）对于中低强度的面心立方金属材料和大部分密排六方的金属）对于中低强度的面心立方金属材料和大部分密排六方的金属材料一般没有低温脆性现象，但在材料一般没有低温脆性现象，但在20-42K20-42K极低温度下极低温度下奥氏体钢奥氏体钢及铝合金有及铝合金有冷脆性冷脆性。 （2 2）对于）对于高强度钢及超高强度钢、高强度铝合金和钛合金等高强度钢及超高强度钢、高强度铝

48、合金和钛合金等在很宽温度范围内冲击韧性就很低，故在很宽温度范围内冲击韧性就很低，故韧脆转变不明显韧脆转变不明显。 第第6章章 材料的冲击韧性与低温脆性材料的冲击韧性与低温脆性（3 3）对于低、中强度的钢及铍、锌等材料，其低温脆性很）对于低、中强度的钢及铍、锌等材料，其低温脆性很明显明显。第第6章章 材料的冲击韧性与低温脆性材料的冲击韧性与低温脆性二、韧脆转变温度二、韧脆转变温度t tk k 因为韧性是材料塑性变形和断裂全过程吸收能量的能力，因为韧性是材料塑性变形和断裂全过程吸收能量的能力，它是强度和塑性的综合表现，因而在特定条件下，能量、强度它是强度和塑性的综合表现，因而在特定条件下，能量、强

49、度和塑性都可用来表示韧性。所以，和塑性都可用来表示韧性。所以，依照试样断裂消耗的功、断依照试样断裂消耗的功、断裂后塑性变形的大小及断口形貌均可以确定裂后塑性变形的大小及断口形貌均可以确定t tk k。 目前尚无简单的判据求韧脆转变温度目前尚无简单的判据求韧脆转变温度t tk k。通常只是根据能。通常只是根据能量、塑性变形或断口形貌随温度的变化定义量、塑性变形或断口形貌随温度的变化定义t tK K。 为此，需要在不同温度下进行冲击弯曲试验，根据试验结为此，需要在不同温度下进行冲击弯曲试验，根据试验结果作出冲击吸收功一温度曲线、试样断裂后塑性变形量和温度果作出冲击吸收功一温度曲线、试样断裂后塑性变

50、形量和温度的关系曲线、断口形貌中各区所占面积和温度的关系曲线等，的关系曲线、断口形貌中各区所占面积和温度的关系曲线等，根据这些曲线求根据这些曲线求t tk k第第6章章 材料的冲击韧性与低温脆性材料的冲击韧性与低温脆性1.1.按能量法定义按能量法定义t tk k (1) (1)当低于某一温度材料吸收的冲击能量基本不随温度而变化，形成一当低于某一温度材料吸收的冲击能量基本不随温度而变化，形成一平台，该能量称为平台，该能量称为“低阶能低阶能”以低阶能开始上升的温度定义以低阶能开始上升的温度定义t tk k ，并记，并记为为NDT(nildu-ctility temperature)NDT(nild

51、u-ctility temperature)，称为，称为无塑性或零塑性转变温度无塑性或零塑性转变温度。这是无预先塑性变形断裂对应的温度，是最易确定这是无预先塑性变形断裂对应的温度，是最易确定t tk k的判据。在的判据。在NDTNDT以以下，断口由下，断口由100100结晶区结晶区( (解理区解理区) )组成。组成。(2)(2)高于某一温度材料吸收的能量也基本不变，形成一个上平台，称为高于某一温度材料吸收的能量也基本不变，形成一个上平台，称为“高阶能高阶能”。以高阶能对应的温度为。以高阶能对应的温度为t tk k，记为，记为FTP(fracture FTP(fracture transitio

52、n plastic)transition plastic)。高于。高于FTPFTP的断裂，将得到的断裂，将得到100100的纤维状断口。的纤维状断口。显然，这是一种最保守定义显然，这是一种最保守定义t tk k的方法。的方法。第第6章章 材料的冲击韧性与低温脆性材料的冲击韧性与低温脆性 (3)(3)以低阶能和高阶能平均值对应的温度定义，以低阶能和高阶能平均值对应的温度定义，并记为并记为FTE(fracture transition elasticFTE(fracture transition elastic。 (4)(4)以以A AKVKV1515尺磅尺磅(20.3N(20.3Nm)m)对应的

53、温度定义，并对应的温度定义，并记为记为V V1515TTTT。实践表明，低碳钢船用钢板服役时。实践表明，低碳钢船用钢板服役时若冲击韧性大于若冲击韧性大于1515尺磅或在尺磅或在V15TTTT 以上工作就不以上工作就不致于发生脆性断裂。致于发生脆性断裂。第第6章章 材料的冲击韧性与低温脆性材料的冲击韧性与低温脆性第第6章章 材料的冲击韧性与低温脆性材料的冲击韧性与低温脆性1.1.按断口形貌定义按断口形貌定义t tk k通常取结晶区面积占整个断口面积通常取结晶区面积占整个断口面积5050时的温度为时的温度为t tK K，并记为，并记为5050FATT(fracture appearance FAT

54、T(fracture appearance transitiontransition temperature)temperature)或或FATT50FATT50、t50t50。5050FATTFATT反映了裂纹反映了裂纹扩展变化特征，可以定性地评定材扩展变化特征，可以定性地评定材料在裂纹扩展过程中吸收能量的能料在裂纹扩展过程中吸收能量的能力。实验发现，力。实验发现，5050FATTFATT与断裂韧与断裂韧度度KIcKIc开始急速降低的温度有较好的开始急速降低的温度有较好的对应关系，故得到广泛应用但此对应关系，故得到广泛应用但此方法需要目测评定各区所占面积，方法需要目测评定各区所占面积，受人为

55、影响较大受人为影响较大第第6章章 材料的冲击韧性与低温脆性材料的冲击韧性与低温脆性三、影响材料低温脆性的因素三、影响材料低温脆性的因素 1.1.晶体结构的影响晶体结构的影响 体心立方金属及其合金存在低温脆性，面心立方金属及其合金体心立方金属及其合金存在低温脆性，面心立方金属及其合金一般不存在低温脆性。一般不存在低温脆性。 体心立方金属的低温脆性可能和体心立方金属的低温脆性可能和迟屈服现象迟屈服现象有密切关系。有密切关系。所谓迟屈服是指所谓迟屈服是指当用高于材料屈服极限的载荷以高加载速度作当用高于材料屈服极限的载荷以高加载速度作用于体心立方结构材料时，瞬间并不屈服，需在该应力下保持用于体心立方结

56、构材料时，瞬间并不屈服，需在该应力下保持一定时间后才发生屈服一定时间后才发生屈服。且温度越低，持续的时间越长，这就。且温度越低，持续的时间越长，这就为裂纹的发生和传播造成有利条件。为裂纹的发生和传播造成有利条件。中、低强度钢的基体是体中、低强度钢的基体是体心立方结构的快素体，故都有明显的低温脆性心立方结构的快素体，故都有明显的低温脆性。第第6章章 材料的冲击韧性与低温脆性材料的冲击韧性与低温脆性2.2.化学成分的影响化学成分的影响 间隙溶质元素间隙溶质元素含量增加，高阶能下降，韧脆转变温度提高。含量增加，高阶能下降，韧脆转变温度提高。 这是由于间隙溶质元素溶入基体金属品格中，通过与位借的这是由

57、于间隙溶质元素溶入基体金属品格中，通过与位借的交互作用偏聚于位借线附近形成柯氏气团，致使交互作用偏聚于位借线附近形成柯氏气团，致使s s升高，所以升高，所以钢的脆性增大钢的脆性增大; ; 钢中加入钢中加入置换型溶质元素置换型溶质元素(Ni(Ni、MnMn例外例外) )一般也降低高阶能，一般也降低高阶能，提高韧脆转变温度，但这种影响较间隙溶质原子小得多。提高韧脆转变温度，但这种影响较间隙溶质原子小得多。 杂质元素杂质元素S S、P P、PbPb、SnSn、AsAs等使钢的韧性下降。这是由于它等使钢的韧性下降。这是由于它们偏聚于晶界，降低晶界表面能，产生沿晶脆性断裂，同时使们偏聚于晶界，降低晶界表

58、面能，产生沿晶脆性断裂，同时使钢的韧脆转变温度升高。钢的韧脆转变温度升高。第第6章章 材料的冲击韧性与低温脆性材料的冲击韧性与低温脆性 3.3.晶粒大小晶粒大小 细化晶粒可使材料韧性增加。细化晶粒可使材料韧性增加。第第6章章 材料的冲击韧性与低温脆性材料的冲击韧性与低温脆性 4. 4.金相组织金相组织 在较低强度水平，强度相同而组织不同的钢，其冲击吸收功和韧脆在较低强度水平，强度相同而组织不同的钢，其冲击吸收功和韧脆转变温度转变温度以回火索氏体最佳，贝氏体回火组织次之，片状珠光体组以回火索氏体最佳，贝氏体回火组织次之，片状珠光体组织最差。此外，球化处理能改善钢的韧性。织最差。此外，球化处理能改

59、善钢的韧性。在较高强度水平时。中、高碳钢经等温淬火获得下在较高强度水平时。中、高碳钢经等温淬火获得下贝氏体组织，其贝氏体组织，其冲击吸收功和韧脆转变温度优于同强度的淬火马氏体并回火的组织冲击吸收功和韧脆转变温度优于同强度的淬火马氏体并回火的组织。 在相同强度水平，典型上贝氏体的韧脆转变温度高于下贝氏体在相同强度水平，典型上贝氏体的韧脆转变温度高于下贝氏体的韧脆转变温度。但低碳钢低温上贝氏体的韧脆转变温度。但低碳钢低温上贝氏体(B(B1 1) )的韧性却高于回火马氏的韧性却高于回火马氏体的韧性，这是由于在低温上贝氏体中渗碳体沿奥氏体晶界的析出体的韧性，这是由于在低温上贝氏体中渗碳体沿奥氏体晶界的

60、析出受到抑制，减少了晶界裂纹所致。受到抑制，减少了晶界裂纹所致。第第6章章 材料的冲击韧性与低温脆性材料的冲击韧性与低温脆性 在马氏体钢中存在稳定残余奥氏体，可以抑制解理断裂，从而显在马氏体钢中存在稳定残余奥氏体，可以抑制解理断裂，从而显著改善钢的韧性马氏体钢中的残余奥氏体膜也有类似作用著改善钢的韧性马氏体钢中的残余奥氏体膜也有类似作用 钢中碳化物及夹杂物等第二相对钢的脆性的影响程度取决钢中碳化物及夹杂物等第二相对钢的脆性的影响程度取决于第二相质点的大小、形状、分布、第二相性质及其与基体的于第二相质点的大小、形状、分布、第二相性质及其与基体的结合力等因素一般第二相尺寸增加，材料的韧性下降韧脆结